謝 斌

（上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，上海 201209）

基于TRIZ理論的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

謝 斌

（上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，上海 201209）

針對(duì)原有列車(chē)上水連接器存在的問(wèn)題，基于TRIZ理論體系中的技術(shù)沖突和創(chuàng)新原理，應(yīng)用TRIZ理論的沖突解決矩陣和發(fā)明原理，對(duì)上水連接器的結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并取得了良好的效果。

上水連接器；TRIZ理論；沖突解決矩陣；發(fā)明原理

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源緊缺的國(guó)家，然而，城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)的漏失率卻在20 % 左右，每年因此而損失的自來(lái)水超過(guò)了100億立方米。鐵路又是用水大戶(hù)，采用傳統(tǒng)方式為旅客列車(chē)上水，在作業(yè)過(guò)程中會(huì)浪費(fèi)大量的水資源。其原因在于：上水過(guò)程的流失、水源球閥的易損、上水橡膠管口徑各異和水箱溢流。

TRIZ理論目前已經(jīng)在工業(yè)、建筑、微電子、社會(huì)學(xué)、商業(yè)和教育等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。本文針對(duì)上述問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論的沖突解決矩陣和發(fā)明原理來(lái)改進(jìn)原有上水連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 TRIZ理論

TRIZ的含義是發(fā)明問(wèn)題、解決理論，其拼寫(xiě)是由“發(fā)明問(wèn)題的解決理論”（Theory of Inventive Problem Solving）俄語(yǔ)含義的單詞首字母組成。它由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒（G. S. Altshuller）在1946年創(chuàng)立，是阿奇舒勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)在分析了世界各國(guó)250多萬(wàn)項(xiàng)高水平專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，提出的具有普遍適用性的一套發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并找到解決辦法的發(fā)明理論，成為了創(chuàng)新的“點(diǎn)金術(shù)”。它用系統(tǒng)的方法和工具來(lái)徹底解決那些常人“看似不可能解決的問(wèn)題”。TRIZ理論中的阿奇舒勒沖突矩陣、40個(gè)發(fā)明原理、物—場(chǎng)模型分析、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法、ARIZ和科學(xué)知識(shí)原理庫(kù)等方法，能幫助我們快速獲得創(chuàng)造性的解決方案。

TRIZ求解問(wèn)題的模式如圖1所示。首先，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行抽象，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題；然后，利用TRIZ工具得到TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)解；最后，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)解再轉(zhuǎn)化為實(shí)際問(wèn)題的最終解[3]。

圖1 TRIZ求解問(wèn)題模式Fig. 1 Solving the problem mode of TRIZ

2 TRIZ理論在上水連接器創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 原有上水連接器的缺點(diǎn)

原有上水連接裝置是由筒狀的活塞套3（其中有活塞5）、密封圈4、彈簧2以及與活塞套一端連接的后蓋1組成，安裝在限定的通徑直膠管6內(nèi)，如圖2所示。

原有傳統(tǒng)上水連接方式：當(dāng)?shù)孛嫠垂苈方油〞r(shí)，依靠活塞端面受壓及彈簧等的作用，連接器處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)把直膠管用力插上列車(chē)進(jìn)水插頭時(shí)（如圖3所示），將推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，水就通過(guò)活塞上的徑向孔7流入列車(chē)插頭上水管路。由于該裝置安裝在限定通徑的直膠管內(nèi)，因而通徑小，壓力大，活塞受壓面大，反沖力大；同時(shí)由于直膠管的內(nèi)周與列車(chē)有錐度的進(jìn)水插頭的外周接觸面小，造成了緊固力不足，容易滑脫。

圖2 原有上水連接器結(jié)構(gòu)Fig. 2 Original structure of water connector

圖3 列車(chē)進(jìn)水插頭 Fig. 3 Train water plug

綜上所述，原有上水連接器的問(wèn)題主要在于連接的可靠性不足以及反沖力過(guò)大。

2.2 應(yīng)用TRIZ工具解決技術(shù)沖突

技術(shù)沖突是指系統(tǒng)中一個(gè)部分性能的增強(qiáng)導(dǎo)致有用及有害兩種結(jié)果，也可指有益作用的引入或有害效應(yīng)的消除導(dǎo)致一個(gè)或幾個(gè)子系統(tǒng)或系統(tǒng)性能的劣化[4]。

首先，將原有上水連接器的技術(shù)特性抽象成TRIZ的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的參數(shù)。

部分沖突解決矩陣元素如表1所示。矩陣表中的行表示沖突中惡化的參數(shù)，列則表示改善的參數(shù)，單元格中列出了推薦的解決該問(wèn)題的發(fā)明原理（用發(fā)明原理序號(hào)表示）。

在此問(wèn)題中，希望改善的參數(shù)為可靠性（No. 27），力（No. 10）。惡化的參數(shù)為物質(zhì)或事物的數(shù)量，即水量（No. 26）。

其次，利用沖突解決矩陣查得相應(yīng)的發(fā)明原理序號(hào)為3、10、14、35、36。

最后，經(jīng)分析篩選，決定利用發(fā)明原理3（局部特性原理）和14（曲面化原理）來(lái)解決問(wèn)題。

局部特性原理：從均勻的物體結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境或作用改變?yōu)椴痪鶆?；讓物體不同部分承擔(dān)不同的功能；把物體的每個(gè)部分處于各自動(dòng)作的最佳位置。此原理應(yīng)用于連接器膠管結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

曲面化原理：利用圓柱體、球體、螺旋，離心力，從直線部分過(guò)渡到曲線部分，從平面過(guò)渡到球面，從正六面體或平行六面體過(guò)渡到球形結(jié)構(gòu)，從直線運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此原理應(yīng)用于連接器活塞結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

表1 沖突解決矩陣Tab. 1 Conflicts solving matrix

3 具體實(shí)施方式

基于TRIZ理論發(fā)明原理3和14，設(shè)計(jì)了新型的上水連接器的結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4改進(jìn)后的上水連接器結(jié)構(gòu)Fig. 4 Improved structure of water connector

新型上水連接方式：包括插座套3和活塞套6，在插座套一端固定的連接圈4連接了活塞套中帶有錐度的活塞，外周環(huán)圓有密封圈1，使活塞套一端連接管接頭7。當(dāng)?shù)孛嫠垂苈方油〞r(shí)，依靠活塞和密封圈作用，關(guān)閉連接器。當(dāng)上水時(shí)，把帶有錐度的插座套插上圖3所示的列車(chē)進(jìn)水插頭，則活塞2和錐度插頭端面接觸，依靠插上時(shí)的力推動(dòng)活塞打開(kāi)通路，使水通過(guò)活塞的一端錐體，減少了受壓截面，同時(shí)由于通徑大，壓力變小，因此能輕松插上連接，而水就從活塞的徑向孔5流入列車(chē)插頭上水管路。由于活塞一端受壓處呈錐形，減小了圖3插頭和活塞端面間的相互排斥反沖力，而且在插座套和圖3插頭連接處，內(nèi)外周錐度的相對(duì)應(yīng)，使得接觸面緊固牢靠，不滑脫。

4 應(yīng)用效果

該連接器具有自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能，水井球閥可常開(kāi)，上水膠管常壓，改變傳統(tǒng)操作，實(shí)現(xiàn)上水膠管端口不放水，節(jié)省更換水源球閥費(fèi)用等。連接器自2004年8月1日起在上海站部分站臺(tái)投入試用，2006年13個(gè)站臺(tái)共安裝273個(gè)新型上水連接器。2005年度客車(chē)上水量為1 032 246 m3，2008年度客車(chē)上水量為713 390 m3，同比減少318 856 m3，節(jié)水率達(dá)到30.9 % ，效果明顯。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原有列車(chē)上水連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的分析以及對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的剖析，運(yùn)用TRIZ理論中的沖突解決矩陣和發(fā)明原理，找到了切實(shí)有效的解決方案并加以實(shí)施，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此外，對(duì)于提高該連接器的使用壽命以及防止列車(chē)水箱溢流的問(wèn)題還需要進(jìn)一步的研究和探索。

[1] 王亮申. TRIZ創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[2] 黃為民. TRIZ: 頗為完備的技術(shù)創(chuàng)新理論體系[J]. 上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 27(3): 236-241.

[3] 趙敏. TRIZ入門(mén)及實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[4] 張春林. 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

Product Structure Innovation Design Based on the Theory of TRIZ

XIE Bin
( School of Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

The problems of original train’s water connector are aimed at. Based on technical conflicts and innovation principles of TRIZ, it makes use of the conflicts solving matrix and inventive principles of TRIZ and makes improved design for the structure of water connector. Finally, the new water connector has achieved good results.

water connector; TRIZ; conflicts solving matrix; inventive principles

TH112

A

1001-4543(2012)02-0117-04

2011-12-24;

2012-06-13

謝斌（1968－），男，浙江人，講師，工程碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)與研究，電子郵箱xiebin@meef.sspu.cn。